硬開關的優缺點以及全諧振式電源適配器

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硬開關的優缺點以及全諧振式電源適配器

在20世紀60年代和70年代，當高效率和高可靠性的半導體以令人能夠接受的價格出現后，現代電源適配器成為一種當然之選的技術，在這之前，電源適配器技術僅用于大功率和高頻場合，且采用各種磁性元件，如磁放大器和磁通門器件。
令我記憶猶新的是，20世紀60年代初，電子學正面臨著一場重要的革命，當時Tobey和 Dinsdale發明了一種基于儲半導體的脈沖寬度調制寬帶音頻放大器，雖然這是一種音頻放大器，但卻包含了現代電源適配器的基本技術。盡管相關文獻直到20世紀80年代才大量出現，但毫無疑問，當時從事電源研究的人數眾多。
英規電源適配器設計領域的先驅們（如 Abraham1。 Pressman，1915-2001）在設計線性調節器、電源適配器和諧振式電源時都一樣自如，早年，諧振式功率系統通常采用低頻開關器件，如晶閘管，頻率限制在幾千赫茲范圍內。
然而近年來，高效的高頻器件將工作頻率提高至幾兆赫茲，高頻諧振和準諧振變換器的設計越來越專業化。這就要求設計人員只能專攻硬開關方法（矩形波）或者諧振式方法（正弦或準正弦波）。毫無疑問，這種專業化的原因在于兩種方法涉及的知識面均非常廣，人們很難在兩方面都站在技術的前沿。
較近，第三種方法出現了，即“準諧振式電源適配器”。這種方法試圖將硬開關和諧振式系統的主要優點結合起來，在補充內容的第3章給出的就是一個很好的例子：三相交流輸入的10kW電源采用準諧振方法，并且證明整機效率接近97%。
在這種情況下，對各種系統的主要優點和缺點進行總結有助于設計者在特定應用中選擇較佳方法。迄今沒有一種技術能夠堪稱理想（否則大家就都來用了），在參數設計上總是需要折衷，工程師必須考慮到許多要求和參數然后才能確定較佳方法。

硬開關方法的優缺點
在硬開關方法中，功率器件完全導通一段時間，隨后完全關斷一段時間，導通和關斷時間之比決定著輸出電壓或電流的平均值。
可以采用多種調制方法，包括定頻（導通和關斷時間都變化）、變頻（導通時間固定而關斷時間變化）、變頻（關斷時間固定而導通時間變化）、變頻（導通和關斷時間都變化，但紋波電流峰一峰值不變，例如滯環控制）等。
上述方法有一個共同之處，即都在應力很高的情況下開通或關斷功率器件，在此期間，功率器件兩端的電壓和通過器件的電流都很大，造成非常大的開關損耗。盡管可用各種緩沖（負載線整形）方法減小損耗，但并不能從根本上解決問題。下面將利用未采用負載線整形的簡單升壓變換器對此做出解釋。
圖所示的是一個基本的升壓開關調節器，圖42。1b給出了開通過程中電壓和電流的波形，圖所示的為未采用負載線整形時開關器件的損耗應力。空氣凈化器電源適配器

硬開關的優缺點以及全諧振式電源適配器

電源適配器由100V輸入產生200V輸出的升壓變換器概圖。導通期間電壓和電流波形如圖（b）所示注意Q1兩端的電壓在Q1電流超過輸出電流之前不會降低，電感L1在開關過程中迫使電流流動，造成Q1在開通和關斷過程中產生很大的尖峰開關損耗。（本例中峰值為2000V。）這在開關過程中發生，與器件的開關速度無關，并且證明這種固有的功率損耗與此類調節器的硬開關過程有關

硬開通開關損耗
初始條件：該例中，假設器件是理想的（無損耗）且電路已經進入穩態，輸入電壓為100V、電流為10A（1kW），輸出電壓為200V，輸出電流平均值約為5A（kW）。電感L很大，因此為了簡單起見，本例中可認為輸入電流在一個周期中保持不變。
注意到Q1開通之前，流過L1的10A電流經D1和負載流入大電容C2，且輸出側B點的電壓為200V，輸出電流平均值約為5A，所以C：被5A電流充電。還是為了簡單起見假設C2很大，所以紋波電壓很小，可以忽略。
由圖的左側部分可見，在開通時刻T1之前，Q的漏極電流（ID）接近于0而B點的電壓（Vo）被柑位在200V，這是因為D是導通的，而C點的輸出電壓為200V。

開通過程
T1時刻Q1在柵極信號的作用下開始導通，Q1的電流開始增加至10A，T1至T2期間，電流增加的速率由Q1的開通特性（以及Q1和C1回路的電感）決定，例如這段時間為1us。注意在這一階段，Q1兩端的電壓維持在200V，原因是L的電流為恒定的10AD1仍然導通，D的電流為10A與Q1電流之差。所以，D1仍然將B點的電壓位于由C保持的約200V。在這段開通初始階段內，Q1的損耗非常大，損耗的曲線為圖（c）中位于T和T2之間的部分。T2時刻Q1的電流達到10A，D的電流下降至0，D2反向偏置。B點的電壓（Q1的漏源電壓）從200V開始下降，在T時刻電壓降至0之前，Q1仍然是導通的。在這一階段，Q1的等效電阻開始減小，直至達到R=。但是，Q1中同時存在電壓和電流。從而產生損耗，損耗曲線為圖（c）中位于T2和T3之間的部分。
圖表明在開通過程中Q1的損耗峰值為2000W，需要注意的是，增加開關速度（采用更快的器件）不會改變損耗峰值。使用快速器件可以降低平均功耗，因為功率曲線圍成的面積將減小，但功耗峰值維持不變。
重點在于，Q1的峰值損耗為2kW且增加Q1的開關速度峰值損耗保持不變，因為這是硬開關過程的固有特性。實際應用中，可采用緩沖電路（負載線整形）降低Q1的峰值應力，但一般而言這樣做只會使損耗轉移到其他元件中。類似的過程出現在關斷Q時。
這就是硬開關較主要的缺點。其他硬開關拓撲也存在著不同的損耗問題，盡管有許多方法可以降低這類損耗，但并未從根本上解決問題，而且還將工作頻率限制在200kHz以下。
空氣凈化器電源適配器硬開關的主要特性總結如下。

缺點
（１）固有的高開關損耗；
（２）工作頻率的范圍受限（歸因于高開關損耗）；
（３）開關邊沿過快遣成寬頻譜范圍的EMI噪聲
（４）需要采用負載線整形技術；
（５）開關器件的應力高；
（６）功率二極管中反向恢復電流很大。

優點
（１）非常成熟的技術和許多行之有效的拓撲。相關的圖書和應用注釋豐富，有種類齊全的控制IC可供選用；
（２）能適應輸入和負載的大范圍變化；
（３）非諧振式電路，因此繞線式元件及開關器件中的電流更小，IR損耗也小
（４）易于理解和設計；
（５）布局和繞線式元件的設計不是特別關鍵。
下面要分析的是全諧振式電源適配器的工作過程。

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| 發布時間：2018.12.17 來源：電源適配器廠家

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